Центробежни помпи

Част II. Използвани материали, повърхностни покрития и уплътнения

В предишен брой на списание ТД Инсталации, Оборудване, Инструменти обърнахме специално внимание на видовете центробежни помпи и техните електрически и хидравлични параметри. В настоящата статия се разглеждат по-важните характеристики на използваните за изработването им материали, покрития и уплътнения.

Стоманата и чугунът като материал за изработване на помпи
Материалите, използвани в съвременните конструкции центробежни помпи, оказват решаваща роля върху експлоатационните им характеристики. Най-широко приложение намира въглеродната стомана, но през последните години непрекъснато се разширява и пазарният дял на други материали като керамиката и пластмасите.
Добре известно е, че в зависимост от съдържанието на въглерод, използваната стомана се разделя на четири вида: нисковъглеродна или мека стомана (0,003% до 0,3% въглерод), средновъглеродна стомана (0,3% до 0,45% въглерод), високовъглеродна стомана (0,45% до 0,75% въглерод) и супервисоковъглеродна стомана (0,75% до 1,5% въглерод). Сред предимствата на въглеродната стомана е ниската цена и лесната й обработка. От друга страна, недостатък на въглеродната стомана е малката корозоустойчивост в сравнение с неръждаемата стомана и алтернативните материали.
При изработката на конструктивни елементи на помпи, подложени на големи натоварвания, т.е. на високи напори и температури, често се използва бял чугун. Чугунът има същият химичен състав като стоманата, но е с по-голямо съдържание на въглерод. С цел повишаване на корозионната му устойчивост се легира със силиций и никел (15% до 35%). По принцип, чугунът е устойчив на действието на основи и сравнително неустойчив към киселини. Различават се два вида - сив и бял.
При сивия чугун, графитът е под формата на феритна или перлитна решетка. Той има сив цвят, което е определило и името му. Механичните му свойства не са особено добри при опън за сметка на високата устойчивост на натиск. При белия чугун, графитът е под формата на сфери, които се образуват вследствие наличието на 0,03 - 0,05% магнезий. Кръглата форма на въглерода намалява концентрацията на напрежения в метала, придавайки му по-добри пластични свойства.

Неръждаема стомана и титан
Неръждаема се нарича стоманата, легирана с хром. Минималното съдържание на хром, което се използва в неръждаемите стомани за помпи е 10.5%. Хромът подобрява корозионната устойчивост на стоманата, като образува самовъзстановяващ се повърхностен слой от хромен оксид. Молибденът, никелът и азотът са други често използвани легиращи елементи на неръждаемите стомани. Те променят кристалната решетка в различни форми, осигуряващи подобрена обработка на метала, по-лесно леене, заваряване и др. Като цяло неръждаемата стомана се характеризира с по-добри механични свойства и по-добра устойчивост на киселини и основи в сравнение с обикновената въглеродна стомана и с чугуна.
Различават се четири основни типа неръждаеми стомани: феритна, мартензитна, аустенитна и феритно-аустенитна. Феритната стомана се характеризира с умерена якост и много добра корозионна устойчивост. Мартензитната стомана се отличава с голяма якост и ограничена корозионна устойчивост. Използва се за изработването на пружини, валове и др.
Най-използваният тип неръждаема стомана е аустенитната, тъй като тя притежава много добра тънколивкост, заваряемост, устойчивост на корозия и якост. Аустенитните стомани се използват за изработването на почти всеки конструктивен елемент на помпите. Поради голямото съдържание на сяра - от 0,15% до 0,35%, се характеризират с подобрена машинна обработваемост. Феритно-аустенитна стомана се отличава с висока якост, добра твърдост и висока корозионна устойчивост. Използва се основно за изработването на валове и кожуси на помпи.
Също както и неръждаемите стомани, титанът образува окисен слой, подобряващ устойчивостта му на корозия. Отличава се с ниска плътност и относително невисока якост. Легиращи елементи като кислород, ванадий и алуминий значително подобряват якостта му.

Керамика и пластични материали
Керамичните материали се използват за изработването на лагери и уплътнителни повърхности на валови уплътнения, към които се поставят изисквания за висока температурна устойчивост и якост, както и за висока износоустойчивост. Те представляват неорганични, неметални материали, обикновено с кристална решетка. Най-често използваните керамични материали са алуминиев оксид (Al2O3), силициев карбид (SiC) и силициев нитрид (Si3N4).
Пластичните материали обикновено са синтетични и се образуват при преработката на мазнини, въглища, природен газ и др. Известно е, че пластичните материали са два основни типа: термопластични и термокомплексни. Термопластичните са най-често използваните пластични материали. Състоят се от дълги полимерни молекули, които нямат връзки помежду си. Доставят се под формата на гранули и при загряване могат да се леят и изтеглят. Съществуват различни видове термопласти: РЕ - полиетилен, РР - полипропилен, РVС - поливинилхлорид, РЕЕК - полиетеретеркетон и химически устойчивите: PVDF - поливинилиден флуорид и PTFE - политетрафлуоретилен (търговско име: тефлон). Термопластите намират широко приложение като покрития на тръби, помпи и др. Често съдържат добавки, които им придават допълнителни свойства като например неорганични филтри за механично уякчаване и химични стабилизатори, т.е. антиоксиданти, пластификатори и искрогасители.
От своя страна, термокомплексните материали се втвърдяват при загряване. Отличават се с междумолекулни кръстосани връзки, получени при обработката им с химикали, загряване и облъчване с радиация по време на производството им (процесът е известен като вулканизация). Термокомплексните материали са по-твърди, по-устойчиви и не могат да се претопяват. По-известни термокомплексни материали са епоксидните, полиестерните и полиуретановите материали. Те се използват за изработване на повърхностни покрития на помпите.

Използвани еластомери в помпите
Някои конструктивни елементи на съвременните помпи се изработват от еластомери, например различни уплътнения. Eластомери са естествената и синтетичната гума. Знае се, че гумите са гъвкави дълги полимерни вериги, отличаващи се с висока еластичност. Те имат междумолекулни кръстосани връзки, на които именно дължат високата си еластичност. Сред основните видове използвани еластомери са:
NBR гума (нитрилна гума) - представлява сравнително евтин материал. Отличава се с висока устойчивост на масла и горива, висока износоустойчивост, ниска якост и издръжливост на ниски температури до -30 °С.
EPDM гума (етилен-пропиленова гума). Отличава се с отлична устойчивост към вода и високи температури до 120 - 140 °С. Друга тяхна специфика е добрата им устойчивост на киселини, основи, метанол и ацетон. Недостатък е недобрата им устойчивост към минерални масла и горива.
FKM гума (флуороеластомерна гума). Обхващат цяла фамилия от гуми, разработени специално с оглед постигане на висока устойчивост на масла, горива и разтворители. FKM гумите се характеризират с отлична устойчивост на високи температури (до 200 °С) и някои типове масла. Недостатък е ограничената им устойчивост към пара, топла вода, метанол, амини, силни основи и фреони.
Q гума (силициева гума). Тези еластомери притежават някои изключителни качества като ниска свиваемост при голям температурен диапазон ( - 60 до 200 °С), отлична електроизолация и нетоксичност. Сред предимствата им са много добра устойчивост към вода, някои киселини и окислители. За сметка на това не са устойчиви на концентрирани киселини, основи, разтворители, масла и горива.
FFKM гума (перфлуороеластомерна гума). Характеризират се с отлична химическа устойчивост, сравнима с тази на тефлона, както и с висока издръжливост на високи температури. Нейни недостатъци са трудната обработваемост, високата цена и недобрата устойчивост на ниски температури.

Механични уплътнения
Друг подход за борба с неблагоприятните условия като отлагането на примеси, появата на ниско/високо налягане или температура, пренос на агресивни или експлозивни течности включва залагането в конструкцията на двойни механични уплътнения на вала.
Двойните уплътнения на вала са два основни вида: “тандем” или “гръб към гръб”.
Тандем двойно уплътнение. Представлява две механични уплътнения, разположени едно след друго, които образуват обща уплътнителна камера между тях (фиг. 1). Между двете уплътнения (в камерата) има междинна течност, която събира утечките от работната течност, охлажда и смазва външното уплътнение, предпазва от работа на сухо, стабилизира смазващия слой и предпазва проникването на въздух в помпата при работа под вакуум. Необходимо е винаги да се спазва условието налягането на междинната течност да е винаги по-малко от работното налягане на работната течност.
Гръб към гръб двойно уплътнение (фиг. 2). Приема се като оптимално решение за пренос на абразивни, агресивни, гъсти и експлозивни течности, които износват, повреждат или блокират обикновените механични уплътнения. Този вид уплътнение се състои от две механични уплътнения, обърнати с гръб едно към друго, които образуват междинна уплътнителна камера. В нея циркулира работната течност, която винаги е с 1 - 2 bar по-високо налягане от характерното за работното налягане на помпата.

Повърхностни покрития при помпите
Повърхностните покрития - метални, неметални и органични, са често използвани за борба с корозията при помпите.
Металните покрития се разделят на благородни и неблагородни. Неблагородни са покритията на основата на цинка. На тях се възлагат две основни функции - предотвратяване достъпа на околната среда до метала и осигуряване на галванична защита. При появата на открита площ от метала, цинкът започва да кородира, защитавайки базовия метал. Друг начин на защита е използването на катодна защита. При малки открити площи от метала, цинкът ще я запълни, предотвратявайки корозията.
Благородни се наричат повърхностни покрития на базата на никел или хром, съответно - никелиране или хромиране. За разлика от неблагородните покрития, този вид покритие предотвратява единствено достъпа на околната среда до метала. Никелирането и хромирането се отличават с по-добри механични и химически качества от обикновените метали, но не могат да предпазят открити площи метал.

Неорганични и органични покрития
Неорганичните метални покрития се образуват при контролиран процес на корозиране, т.е. вследствие на реакция на металите с оксидиращи разтвори. По-известни примери са: анодиране или хромиране на алуминий или фосфатиране на стомана. Анодирането се използва за повърхностна защита, докато хромирането и фосфатирането се използват като предварителна подготовка на материалите преди боядисване.
Органичните покрития съдържат органични съставки от различни типове. Нанасят се върху металите чрез разпръскване, намазване, както и по електрохимичен път.
Най-разпространените органични покрития са боите. Най-широко използваните съставки на боите са полимерни вериги, разтворители, пигменти и добавки. По екологични причини, напоследък все по-честа става употребата на бои на водна основа, т.е. т.нар. прахови покрития.
Термопластичните покрития като PA, PP, PE, PVDF, PTFE и еластомерите се нанасят върху метала, за да комбинират механичните качества на метала с химичната устойчивост на покритията.